基于特征雷达图分析方法的长沙市空气污染特殊案例研究

范茂清 赵芳 曾鸣 黄拓

摘要：为了更好地了解长沙市空气污染特征，采用近年特殊时段长沙市SO2、NO2、PM10、CO、PM2.5、O3六个主要污染物参数以及57项大气组分的监测数据，对主要污染物（组分）进行数学方法处理，得到该项污染物（组分）特征雷达图。利用特征雷达图的分析方法，研究长沙市近年来特殊时段的大气污染特征，发现不同时段存在不同的主导污染物和影响大气污染的组分因子。

关键词：特征雷达图、污染特征、长沙

分类号： X51

大气是由众多复杂的成分构成的，除了人类生命维持所必须的O2等，还有许多对人体或直接或间接有害的气态或固态成分。随着气候变化和人类活动，大气中所含的成分也会随着时间和地域的变化而不同。大气污染防治工作是我国生态环境保护的重要组成部分，并随社会经济发展过程中出现的主要大气环境问题的演变而不断深化[1]。谢雨竹等[2]利用图表和曲线的形式分析了成都市区夏季大气污染物时空变化的特征，周国治等[3]利用折线图和柱形图展示了长沙市空气质量的“周末效应”和“假日效应”，段菁春等[4]则创新性的利用特征雷达图对多种污染物进行分析，从而更综合更直观的揭示了大气污染的主导类型，但却未将此方法用于分析影响PM2.5和O3浓度上涨的污染物组分研究。近年来，很多城市开始将大气污染常规六参数的监测和组成或影响污染物的水溶性离子等组分结合在一起研究，用来更加细致的探究造成大气污染的深层次原因[5-9]。本文通过对长沙市近年特殊时段常规监测数据进行统计分析，直观展示长沙市典型污染案例的日变化和小时变化特征，并对PM2.5和O3异常升高的案例进行组分分析，探究影响PM2.5和O3异常升高的主要组分因子，为污染防治提供方向性技术支持。

一、  研究资料与方法

1、数据来源：1、长沙市空气质量自动站（国控）2017-2020年常规六参数监测数据。2、长沙市马坡岭、环保学院、高开区组分站监测数据。

（1） 特征雷达图的设计与识别。

通过数学方法消除不同污染物（组分）浓度单位之间的差异，计算得出某项污染物（组分）的占比与分布规律，以此展现特定污染物（组分）的变化显著特性[4]。

二、分析与讨论

（1）沙尘传输案例

2018年4月15-17日是一次典型的沙尘传输案例（图1），15日早上开始PM10浓度开始快速上涨，16日全天PM10浓度均维持在较高水平，17日开始下降。从特征雷达图来看，15日PM10特征值低于标准值;16日PM10特征值高于标准值上限，PM2.5特征值也略高于特征值上限;17日，沙尘影响减弱，PM10和PM2.5浓度均低于标准值。小时特征值方面，沙尘传输影响之前（15日4时），PM10特征值显著低于标准值;沙尘影响严重时段（16日1时），PM10特征值显著高于特征值上限，表现出明显的偏沙尘污染特征;沙尘影响减弱时段（17日7时），PM10特征值减小;沙尘影响消散阶段（18日0时），PM10特征值降低到接近标准值下限水平。

（2）秋冬季PM2.5重污染案例

长沙市每年秋冬季都会经历本地扩散条件不利叠加外部输入型污染，选取2019年12月12-17日一次重污染过程（图2）。12日开始，受本地均压场和夜间逆温影响，扩散条件较为不利，PM2.5浓度波动上涨，14日，受冷空气渗透和本地不利扩散条件共同影响，PM2.5浓度快速升高，15日凌晨达到最高值，随后开始缓慢下降，至17日，扩散条件转好，PM2.5浓度降低到较低水平。从特征雷达图来看，12日，PM2.5特征值显著低于标准值;13日，PM2.5特征值开始升高;14日，PM2.5特征值接近标准值上限;15日，PM2.5特征值大于标准值上限，符合本地一次排放叠加二次输入型污染特征;16日，PM2.5特征值开始下降，低于标准值上限;17日，PM2.5特征值显著降低，接近标准值下限。

相关研究表明，长沙市秋冬季NO3-、SO42-、NH4+是PM2.5中最主要的离子成分，NO3-、NH4+、K+、Cl-四种离子的快速增长对霾天PM2.5中离子的贡献最大[10]。从大气组分特征雷达图分析，12日和13日的大气成分主要以挥发性有机物（TVOC）和含碳组分（TC）为主;14日开始三项主要水溶性离子（SO42-、NO3-、NH4+）特征值开始升高;15日硝酸根（NO3-）和铵根（NH4+）离子特征值均超过标准值上限;16日硝酸根（NO3-）和铵根（NH4+）离子特征值降低到标准值上限以下，但三项主要水溶性离子（SO42-、NO3-、NH4+）仍非常接近标准值上限;17日硝酸根（NO3-）离子特征值低于标准值，硫酸根（SO42-）和铵根（NH4+）离子特征值接近或高于標准值上限。本次重污染过程为比较明显的硝酸根（NO3-）离子主导型，而硝酸根（NO3-）离子的主要来源为机动车尾气，结合外部传输影响综合考虑，可以判断本次重污染的主要来源为本地机动车排放源，北方上游地区的燃煤源和机动车排放源。

（3）臭氧重污染案例

2019年9月，长沙市经历了两次持续性臭氧污染过程。图3利用特征雷达图展现了三个重要转折天的污染特征：8日臭氧浓度经历连续6天的上涨达到最高值，特征雷达图显示臭氧特征值超出标准值上限;18日臭氧浓度降低到优的等级，特征雷达图显示臭氧浓度显著低于标准值;29日臭氧浓度经历波动上涨后再次达到峰值，特征雷达图显示臭氧特征值略大于标准值，但NO2浓度显著高于特征值上限，而NO2是臭氧生成的重要前体物。

重点看组分特征随臭氧浓度的变化，在月初第一次臭氧浓度上涨阶段，芳香烃的特征值有减小的趋势，烯烃和烷烃的特征值较高，且烷烃特征值始终接近或高于特征值上限;臭氧浓度下降阶段，烯烃、烷烃和芳香烃特征值均显著低于标准值上限，水溶性离子特征值开始显著增大;月末臭氧浓度上涨阶段，烯烃和烷烃特征值前期也升高到接近特征值上限，但相比之下，芳香烃特征值显著高于特征值上限，当臭氧浓度在29日达到峰值时，烯烃和烷烃特征值出现了显著下降，而芳香烃特征值仍然很高。2019年9月两次臭氧重污染过程呈现明显的不同烃类主导，月初阶段以烷烃为主导，月末阶段以芳香烃为主导。烷烃的主要来源为机动车排放和油气挥发，芳香烃的主要来源为有机溶剂使用，因此月初臭氧污染主导原因来自机动车尾气排放和液化石油气、天然气使用过程中的油气挥发，月末臭氧污染主导原因为工业喷涂、建筑材料等有机溶剂的使用。

三、 结论：

1、春季为沙尘传输影响的高发时段，也是全年PM10浓度容易超标的主要时段，长沙市由本地排放造成的PM10超标案例并不多见，主要以北方沙尘传输为主，期间PM10浓度上涨较快，其特征值明显高于特征值上限;

2、秋冬季重污染時段PM2.5特征值升高明显，主要以本地极不利扩散条件、冷空气带动北方污染物传输或者两者叠加的情形居多，通过组分特征雷达图，可以分析PM2.5中主要水溶性离子的显著性特征，从而判断污染来源;

3、夏秋季节臭氧污染突出时段，臭氧特征值较高，结合组分特征雷达图，可以分析影响臭氧浓度升高的主要VOCs种类，长沙市2019年9月的持续性臭氧污染天气主要以烷烃和芳香烃的影响较为显著;

参考文献：

[1] 柴发合.我国大气污染治理历程回顾与展望[J].环境与可持续发展，2020，45（03）：5-15.

[2] 谢雨竹，潘月鹏，倪长健，陈志辉，韦霞.成都市区夏季大气污染物浓度时空变化特征分析[J].环境科学学报，2015，35（04）：975-983.

[3] 周国治，宋冰冰，罗岳平，毕军平.2016年长沙市环境空气质量的“周末效应”及“假日效应”[J].中国环境监测，2018，34（04）：68-76.

[4] 段菁春，胡京南，谭吉华，陈红.特征雷达图的设计及其在大气污染成因分析中的应用[J].环境科学研究，2018，31（08）：1329-1336.

[5] 张剑飞，姜楠，段时光，孙有昌，郝祺，张瑞芹.郑州市PM_（2.5）化学组分的季节变化特征及来源解析[J/OL].环境科学：1-14[2020-07-16].https：//doi.org/10.13227/j.hjkx.202004099.

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